La limite de Heisenberg ne peut pas être dépassée, mais si vous la calculez soigneusement, vous pouvez vous en rapprocher
L'informatique quantique est basée sur le contrôle des états quantiques. Récemment, de plus en plus de nouvelles sont apparues sur la façon dont les ordinateurs quantiques calculent quelque chose, et la capacité de contrôler de tels ordinateurs est tenue pour acquise. Mais en réalité, ce contrôle sert toujours de facteur limitant pour le développement des ordinateurs quantiques.
Au cœur de tout ce sujet se trouvent les
qubits , objets quantiques utilisés pour coder les informations. Une partie des capacités d'un ordinateur quantique vient du fait qu'un qubit peut être transféré dans un état de superposition, ce qui permet d'organiser des calculs parallèles. Le but des algorithmes quantiques est de manipuler les états d'une superposition de qubits de telle manière que, lors de la mesure d'un qubit, il renvoie une valeur binaire correspondant à la bonne réponse.
Et cela signifie surveiller l'état de la superposition, dans laquelle un équipement de haute précision et très coûteux est impliqué. Les améliorations consistent généralement en ce que l'équipement devient moins cher. Mais une
nouvelle étude suggère que nous pourrions être en mesure d'améliorer le contrôle par un facteur de 1000, en utilisant l'équipement existant et des astuces ingénieuses.
Pour comprendre le problème du contrôle, vous devez comprendre un peu la superposition. Décrivant les états de superposition quantique, nous utilisons généralement certaines conventions et disons quelque chose comme: "cela signifie que la particule est dans deux états en même temps."
Mais pour nous, cela ne suffit pas et, il me semble, en tout cas, c'est déroutant. Un objet quantique possède plusieurs propriétés mesurables. Et bien que cette propriété, par exemple la position, ne soit pas mesurée, elle n'a aucune valeur. Nous devons penser en termes de probabilités: si nous devions mesurer, quelle est la probabilité d'obtenir une certaine valeur?
C’est en général. Et en particulier, le concept extrêmement inhabituel de «fonction d'onde» se révèle, c'est aussi «l'amplitude de probabilité». La probabilité est toujours positive ou nulle et réelle, mais l'amplitude peut être positive, négative ou même complexe. Et cela change tout.
Supposons que nous ayons une particule distincte et que nous la tirions sur l'écran avec deux emplacements. Une particule peut traverser l'un des emplacements ou entrer dans l'écran. De l'autre côté de l'écran, nous positionnerons le détecteur et nous poserons la question: "Quelle est la probabilité de détecter une particule?"
Pour ce faire, nous devons ajouter les fonctions d'onde de chaque chemin qu'une particule peut parcourir vers le détecteur. Les amplitudes peuvent être positives ou négatives, donc leur somme ne sera pas toujours supérieure. Il peut même devenir nul.
Si nous calculons pour de nombreuses positions différentes possibles du détecteur, nous trouverons de nombreux endroits où la probabilité est nulle et de nombreux endroits avec une probabilité égale. Si vous menez une telle expérience, c'est ce que vous mesurerez. Après qu'un millier de particules distinctes aient traversé les fissures, il y aura des endroits ouverts où elles n'ont jamais été trouvées et des endroits où elles ont été régulièrement trouvées.
Vers quoi je mène? En mécanique quantique, pour prédire avec précision les résultats, il est nécessaire de connaître toutes les manières possibles dont une particule peut atteindre un certain endroit. Donc, dans notre exemple, nous devons considérer les deux façons de notre détecteur. Pour cette raison, les gens disent souvent qu'une particule passe à travers les deux fentes en même temps.
Mais l'ajout de fonctions d'onde détermine où une particule peut être détectée et où vous ne pouvez pas la trouver. Donc, si vous changez l'un des chemins par lesquels une particule peut passer, vous modifiez les amplitudes et déplacez ainsi les endroits où la particule peut être détectée.
Utilisation de la superposition
La probabilité de mesurer la valeur dépend donc de l'historique de l'onde probabiliste. Cela inclut tous les chemins possibles. Et il peut être transformé en un merveilleux capteur. Et nous utilisons vraiment ce circuit pour mesurer le passage du temps avec une sensibilité extrême. Il fonctionne également bien pour mesurer d'autres propriétés.
Un exemple courant est un capteur de champ magnétique. Un électron peut être considéré comme un minuscule aimant. Un aimant électronique s'alignera dans un champ magnétique soit dans le sens des lignes, soit contre elles. Par conséquent, nous pouvons amener l'électron dans un état de superposition, où il est aligné le long et contre les lignes. Le champ magnétique modifie la fonction d'onde de deux états, et la force des changements dépend de la force du champ magnétique.
Après avoir traversé un champ magnétique, nous mesurons l'orientation de l'aimant électronique. La seule mesure ne nous dit rien, mais après mille électrons nous aurons des probabilités relatives des deux orientations. Sur cette base, nous pouvons calculer la force du champ magnétique.
En principe, un capteur très précis peut fonctionner de cette façon. Une seule chose dérange: le bruit. La signification des fonctions d'onde dépend du chemin qu'elles choisissent (mais pas nécessairement de la distance qu'elles parcourent). Ce chemin change de façon imprévisible sous l'influence de l'environnement local, de sorte que chaque électron sera en fait une mesure de l'influence du champ magnétique qui nous intéresse, plus la contribution du bruit. Et cette contribution est différente pour chaque électron. Si le bruit est assez fort, alors tout s'égalisera et les deux résultats de mesure auront les mêmes probabilités.
Le bruit ne peut pas être réduit. Par conséquent, pour obtenir une bonne mesure, il est nécessaire de rendre l'électron moins sensible aux fluctuations aléatoires et plus sensible au signal.
Augmentez la sensibilité
Dans le cas de la mesure de signaux dépendants du temps, vous devez périodiquement donner un coup de pied très fort à l'électron. En l'absence de coups de pied ou de bruit, la probabilité d'un électron change en douceur avec le temps. Le bruit ajoute des sauts à ces changements. Il semble que la vague saute en avant ou en arrière dans le temps sans que vous vous en aperceviez.
Mais nous n'avons pas besoin de petits sauts, ils vont interférer avec le signal. Au lieu de cela, vous devez frapper l'électron avec une batte de baseball quantique, créant un saut suffisamment grand qui peut permuter les fonctions d'onde de deux résultats possibles (cela s'appelle une impulsion π). Si vous le faites à intervalles réguliers, l'effet annule tous les changements apparus pendant le fonctionnement de cet intervalle à cause du bruit.
Donc, s'il n'y a pas de signal et qu'il n'y a que du bruit, vous ne trouverez pas de changement de probabilité. Mais si le champ magnétique oscille avec une fréquence constante (ou, plus précisément, fait osciller le qubit avec cette fréquence), les changements dans la fonction d'onde s'accumuleront.
Cela ne fonctionne que si les signaux changent sur une période égale aux intervalles entre les coups de pied. En fait, nous obtenons un filtre très étroit (les personnes intéressées par l'électronique dans cette description pourraient reconnaître un
amplificateur synchrone ).
Et bien que le filtre soit suffisamment étroit pour être utilisable, sa fréquence ne peut pas être modifiée en douceur, nous ne pouvons donc pas balayer des fréquences différentes. Le problème, c'est la technologie. Une batte de baseball quantique a souvent une impulsion micro-ondes. Ces impulsions doivent en quelque sorte être créées, et un bon générateur de signaux peut mettre à jour les signaux de sortie toutes les nanosecondes. Cela signifie que l'intervalle entre les impulsions (et la longueur de chaque impulsion) peut être modifié d'une seule nanoseconde.
Imaginez que vous devez mesurer la fréquence et l'amplitude d'un champ magnétique alternatif. Vous savez que le champ magnétique change avec une fréquence de l'ordre de 5 MHz (cela signifie qu'en 100 ns le champ passe d'une valeur complètement positive à une valeur complètement négative). Mais vous ne connaissez pas sa fréquence exacte. Pour trouver le champ magnétique, vous augmentez pas à pas l'intervalle des impulsions pour couvrir tout l'espace qui vous intéresse. Et ne trouve rien. Pourquoi? Parce que la fréquence des changements dans le champ magnétique se situe entre le plus petit de vos pas possibles.
Le même problème se produit avec le contrôle qubit. Dans un appareil à plusieurs qubits, chacun est légèrement différent et doit être contrôlé avec un ensemble d'impulsions micro-ondes légèrement différent. Et la résolution de notre outil ne permet pas de l'optimiser suffisamment bien.
Pour contourner cela, il s'avère que vous devez être plus poli avec l'électron. Au lieu d'utiliser constamment une batte de baseball, nous poussons doucement l'électron. Une impulsion micro-ondes douce a pour effet intéressant d'augmenter la résolution temporelle des impulsions. En conséquence, nous obtenons une résolution de fréquence plus élevée (et un meilleur contrôle sur les qubits).
Arrondir les coins d'un carré
Dans l'impulsion marche / arrêt, l'amplitude du générateur n'a que deux valeurs. Dans une impulsion qui augmente et diminue en douceur, vous pouvez utiliser toute l'échelle d'amplitude du générateur pour modifier la position centrale de chaque impulsion d'une valeur bien inférieure à une nanoseconde. En fait, la nature calcule le centre de l'élan par interpolation, même si son générateur ne produit pas de valeur centrale.
Par conséquent, un générateur d'impulsions avec un convertisseur numérique-analogique de 14 bits et une résolution temporelle de 1 ns peut changer le temps entre les centres d'impulsions de 1 picoseconde. Et c'est une amélioration de mille fois.
Les chercheurs ont montré que cela fonctionne en effectuant une spectroscopie des champs magnétiques appliqués aux boucles supraconductrices. Ils ont ensuite appliqué la même technologie pour mesurer la fréquence de
résonance magnétique nucléaire d'un seul atome de carbone (isotope lourd
13 C) dans le diamant. Dans les deux cas, ils ont pu mesurer des valeurs avec une résolution beaucoup plus élevée que ce qui serait possible avec leur équipement.
La nature n'est-elle pas étrange?
Cette réalisation est très surprenante. En fait, les
chercheurs ont utilisé une partie de l'équipement que l'on peut trouver dans n'importe quel laboratoire et l'ont utilisé un peu différemment. Le résultat est quelque chose qui ne pourrait être fait qu'avec les générateurs d'impulsions du futur.
Mais bien que j'obtienne les résultats et comprenne le raisonnement, je ne comprends toujours pas comment cela fonctionne. La nature n'interpole pas comme nous - du moins je ne le pense pas. Un électron ou tout autre objet quantique sélectionné envoie une impulsion telle qu'elle est: un ensemble de tensions discrètes augmentant et diminuant par pas fixes pendant des périodes fixes. Le centre de l'impulsion ne peut pas être discerné comme par magie en suivant une ligne imaginaire entre des points fixes.
Je pense que quelque chose appelé "l'aire de l'élan" (l'intégrale de l'élan, ou, littéralement, l'aire sous la courbe) joue un rôle ici. Le centre de l'impulsion peut être défini comme le temps pendant lequel l'intégrale atteint la moitié. Pour une impulsion avec une amplitude variant en douceur, de petits changements dans la forme de l'impulsion peuvent varier, et cette valeur de la moitié du chemin peut être obtenue de manière contrôlée.
Mais je ne suis pas convaincu que tout fonctionne de cette façon. La clé est contenue dans la zone et, pour une impulsion rectangulaire, la zone peut toujours changer en continu, même si les pas de temps sont assez rugueux. Il vous suffit de modifier l'amplitude de la valeur «on» de l'impulsion rectangulaire.
Mais cette technologie sera utile à beaucoup. Les personnes qui étudient l'informatique quantique doivent pouvoir contrôler l'état de superposition, et c'est pour cela que la technologie est requise. Et maintenant, ils doivent être capables de contrôler les états quantiques avec une précision encore plus grande, ce qui signifie que les informations quantiques stockées dureront plus longtemps et que plus de calculs pourront être effectués. En ce sens, une telle technologie représente une avancée significative.
Et un jour, je peux même comprendre pourquoi cela fonctionne mieux que je ne le pense.